PCBトレース長について: どれくらいが長すぎるのか？

時々、読者から興味をそそられる質問を受け取り、それが活発な議論や研究の潜水、またはQ&Aセッションを引き起こすことがあります。最近受け取った質問の一つに、PCBトレースの長さ、信号規格、およびコンポーネントの仕様に関するものがあります。ここにその質問の要約があります：

高速トレースの典型的な長さ制限は何ですか？

これは常に面白い質問です。なぜなら、複数の角度から取り組むことができるからです。この場合、コンポーネントは標準的な積層材（Dk 約4およびDf 約0.02、帯域幅の高い端で）でPCIeを介して高速で動作していました。エッジコネクタから受信機までのトレース長を増やすことを示唆しており、コンポーネントが増加した距離を許容し、チャネルで信号を回復できるかどうかが問題です。

このチャネルで許容できる最大PCBトレース長を調査するにはどうすればよいでしょうか？実際には、複数の理由から、任意の信号規格に対する単一の最大PCBトレース長の値は存在しません。代わりに、信号が伝播するにつれてチャネル内の損失を見ていく必要があります。この特定のコンポーネントでは、答えはかなり驚くべきものでした。続きを読んで、もっと学びましょう。

答え: 全損失を見る

2つのコンポーネント間に配置できる最大のPCBトレース長は、複数の要因に依存します。これには以下が含まれます：

• シグナリングプロトコル：シグナリング標準は、インターコネクトが設計されるべき最小限の性能レベルを指定します。これらの要件は設計が機能することを保証するものではありませんが、設計目標に使用するための基準を提供します。
• コンポーネントの仕様：一部のコンポーネントは、シグナリング標準の要件を上回ることができますが、これでもチャネルが機能することは保証されません。
• PCBラミネートと損失： PCBラミネート内のすべての損失は、信号の振幅を減少させ、歪みを生じさせるため、トレース長を決定する際にはこれらの損失源を含める必要があります。
• スキューと位相歪み：いくつかのケースでは、ファイバーウィーブ効果により、ルーティングパスに依存してスキューが蓄積することがあります。これは主に、約20 GHz以上の周波数を占める信号の部分で問題となり、信号の位相歪みを生じさせます。

トレースに沿った損失の蓄積

これらすべてを念頭に置いて、チャネルに沿って損失がどこに蓄積されるかを見てみましょう。以下の画像は、検討中の例のチャネルにおける総損失を示しています。これらの損失のいくつかは、トレースの長さに沿ってまとめられています。損失の発生源がどこであれ、私たちは単にそれらをすべてdBで加算し、好みであればこれを10進数の減衰値に戻すことができます。

ここでのポイントはこれです：損失がどこから来るのかは本当に気にしません、それらはすべて受信機に到達する電力を制限するために加算されます。信号が回復不可能になる前に受けることができる損失には限界があるため、総損失はPCBトレースの長さをある最大値に制限します。

蓄積された挿入損失

個々のトレースに沿った挿入損失（dBで指定）は長さに依存し、長さと伝搬定数の実部に関連しています：

伝搬定数とインターコネクトの長さがわかれば、全体の損失を知ることができます。それは挿入損失とインターコネクトに沿った各インターフェースでの帰還損失の合計に過ぎません。もし望むなら、この関係を挿入損失に対して反転させ、許容損失と最大トレース長さを（伝搬定数を決定できる限り）決定することもできます。

指定された長さはどうなるのか？

一瞬、元の質問に戻りましょう。このやり取りでは、受信コンポーネントが損失予算や文字通りのトレース長さではなく、時間の観点から最大PCBトレース長さを指定しています。言い換えれば、彼らはあなたがインターコネクト上で信号が移動する際の群速度/位相速度（または伝搬遅延）を知っていると仮定しています。分散について知っていれば、信号の速度が周波数によって変化するため、PCBトレース長さのマッチング対周波数を行う必要があることを知っているでしょう。

特定の長さが指定されているか、時間が指定されているかにかかわらず、いずれの値も特定のPCBラミネートとトレースの形状にのみ適用されます。異なるPCBラミネート材料やトレースの形状を使用する場合、そのトレースの長さに沿って経験される損失が異なるため、長さの値はもはや有効ではありません。この場合、指定された最大PCBトレース長を、インターコネクト上の最大損失に対応する伝播定数を使用して新しいトレース長に変換する必要があります。

ここで、γは信号の伝播定数であり、Lは長さの値です。ここでは、γの実数値を取りました。これは、インターコネクトに沿った損失を教えてくれます。上記の最初の方程式を見ると、左側が単に損失予算であることが簡単にわかります。これらの値を適切な伝播定数の値とともに取り入れることで、新しい最大PCBトレース長が得られます。

シミュレーションとフィールドソルバーが役立つ

設計レベルで取ることができるいくつかのステップがあり、過度な損失を防ぐために許容トレース長を増やすことができます：

• 低損失材料を使用する、例えばPTFEベースの積層板
• 損失が少ないコネクタを選択する
• 余分なビアを取り除き、ビアスタブをバックドリルする
• トレースの形状を変更して損失を減らすように試みる

インターコネクトの時間または長さの制約がある場合、古いインターコネクトと新しいインターコネクトの伝播定数を知る必要があります。これにより、新しい長さを決定できます。Altium Designerを使用している場合は、Layer Stack Managerを使用してインピーダンス制御ネットの伝播遅延を計算し、これを使用して関連するネットクラスにトレース長の制限を設定できます。

Sパラメータ抽出を含むより高度な計算の場合、Altium Designer®のユーザーはEDB Exporter拡張機能を使用して、設計をAnsysフィールドソルバーにインポートできます。これは、プロトタイピングを開始する前に強力なフィールドソルバーアプリケーションで設計を資格付けする簡単な方法です。

デザインが完成し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームはプロジェクトの共有と協力を容易にします。Altium DesignerをAltium 365で使用して行うことが可能なことの表面をかすめただけです。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。